相場方法模擬研究的奔跑者——記北京科技大學物理系主任馬星橋教授

本刊記者 劉 賀

相場方法起源于朗道的相變理論，是一種基于體系自由能計算的動力學方法，上個世紀中期曾被用于固體中擴散，Spinodal分解等過程的計算。80年代初，Khachaturyan發展了微彈性理論，使相場方法可用于涉及彈性變形的實際體系中。通過陳龍慶等人在90年代早期的計算機模擬工作，人們逐漸認識到了它在工程模擬方面的優勢。它可以模擬相變過程，對模擬非均勻體系中疇或微觀組織的形成和演化過程以及材料在非均勻體系中的物理性質十分有效。近年來，相場方法在材料計算模擬方面正越來越受到重視，有望發展成可用于材料和器件工程設計的計算機模擬手段。

10多年來，北京科技大學物理系馬星橋教授在相場模擬領域不斷進取，主持和參與了多項國家級項目，并取得了豐碩成果。他長期工作在物理教學的第一線，并曾主管物理系的教學工作，使物理課的教學改革和課程體系建設獲得顯著進步。2011年，馬星橋開始擔任北京科技大學物理系系主任，他積極投入到物理系的學科建設、教學改革和國家工科物理教學基地建設中。以物理系教師為主，申報“北京市弱磁檢測與應用工程中心”獲得批準，組織承辦了“2012多次度材料模擬計算國際研討會”，與中國科學院半導體所合作，成立了“黃昆班”，聯合培養半導體領域的高端人才，使物理系有了新的發展。

面向未來，馬星橋教授希望在相場方法模擬，特別是磁電介質相場計算領域有著更大的突破。同時，在教育教學及學科建設方面繼續做出成就。為國家培養出更多的優秀人才。

漫漫求索路

1977年的冬天，中斷了十年的中國高考制度終于得以恢復，成千上萬的人重拾求學之夢。雖是嚴寒冬季，可在這些人心里，已燃起熊熊大火。馬星橋就是其中的一員，他如愿考上了北京鋼鐵學院（現北京科技大學）物理專業。從此，開啟了物理探索之旅。

經過十年“文革”，高校急缺教師，紛紛興辦師資班。馬星橋成為了北京鋼鐵學院物理師資班的一員，1982年畢業后，他留校任教。一年后，他在職攻讀了北京科技大學和中科院物理所聯合培養的碩士研究生，在物理所磁學研究室學習并從事非晶態合金磁性、電性和熱穩定性的研究。這段求學經歷為他日后的科研方向的選擇奠定了基礎。1986年，馬星橋碩士畢業，回校后，他兼顧教學和科研的工作。2000年，馬星橋赴香港理工大學攻讀博士學位，他的博士論文題目是“鋯合金中氫化物在應力場中析出形貌的相場方法計算機模擬”。鋯合金是一種核結構材料，在使用環境中會有氫化物析出，產生滯后斷裂，影響使用壽命。博士論文工作使他對相場方法有了深入的理解，令他深深喜愛上這種與工程實際緊密結合的計算方法，從此開始了這一領域的探索。學習期間，他得到了相場方法專家陳龍慶教授的指點，此后他們的合作一直保持至今。博士畢業后，馬星橋信守對母校的承諾，毅然選擇回校任教，并結合他在磁學方面的研究經歷，把主要科研方向集中在了電、磁材料物理性質的相場方法計算機模擬上。

馬星橋向記者介紹，很多工程材料由多相形成的微觀組織或多疇結構構成。其宏觀性質除了與每一單相的性質有關，還與微觀組織的形貌或疇的結構密切相關。對材料微觀組織的研究已成為材料研究中不可或缺的一環，相場方法對模擬相變過程中微觀組織和疇的形貌演化十分有效。由于相場方法模擬的結構在介觀尺度，介于宏觀的連續介質尺度和微觀的原子尺度之間，因此，相場方法可作為建立多尺度計算模型中的重要環節。相場方法的另一個特色是可以計算多種外場下的耦合作用和不同介質構成的復合材料的物理性質。馬星橋在磁電材料相場模擬領域的工作主要集中在多場作用下多鐵材料性質與調控的相場方法研究和自旋轉移力矩及自旋軌道耦合對自旋輸運性質影響的相場方法模擬與實驗觀察兩個主要方向，兩個方向的研究均取得了顯著的進展。

豐富了磁電體系的相場方法

2005年，馬星橋課題組與陳龍慶教授合作，開始用相場方法研究鐵磁性形狀記憶合金Ni2MnGa的性質。他們對鐵磁性馬氏體贗彈性和偽塑性的特點從外磁場下的磁疇和馬氏體變體耦合的角度進行了研究，得到了磁疇和馬氏體變體的原位關系及其隨外磁場及應力場的演化，這是實驗中很難得到的結果，加深了人們對鐵磁性馬氏體超彈性及偽塑性現象機理的理解。

馬星橋向記者介紹，磁場驅動馬氏體相變合金因被認為是潛在的磁制冷材料而成為研究熱點，它包含磁場驅動下反鐵磁馬氏體到鐵磁性奧氏體的相變。自該類合金被發現以來，對磁驅相變現象的理論研究和機理探討一直是人們所熱心的課題。磁驅相變需滿足哪些條件？磁化強度，應變等相關物理量在應力場、磁場以及溫度場的作用下或者在這些場的耦合作用下將如何變化等都是人們關心的問題。他們新建的相場模型可以模擬反鐵磁相的相變過程，這種模型過去還未有過。他們還利用第一性原理對該合金體系的相變條件進行了研究。該研究有助于揭示磁場及應力場影響馬氏體相變的的規律與機制，豐富了對磁場驅動鐵磁性馬氏體相變的認識，對幫助人們設計和開發高性能的新材料具有重要的現實指導意義。此外，馬星橋還進行了鐵電薄膜，鐵電超晶格及鐵電線與基底耦合，鐵磁薄膜交換耦合作用研究，開發過多外場作用下鐵電/鐵磁復合多鐵材料的相場計算程序，該程序利用GPU計算，速度比CPU程序提高27倍，結果在2012多尺度材料模擬計算會議上進行了報道。在鐵磁性馬氏體相變方向，他的課題組也進行了實驗研究，發表了多篇實驗論文。現在，馬星橋課題組在多鐵材料調控方法研究及其在自旋電子學器件應用方面與陳龍慶教授仍在合作開展研究。

馬星橋課題組自2007年開始即進行了自旋轉移力矩（STT）對自旋翻轉及自旋進動規律的相場方法及微磁學方法研究，該研究可以起到對利用電流驅動磁矩翻轉的MRAM及納米自旋振蕩器輔助設計的作用。他們不但對電流驅動磁矩翻轉規律進行了闡釋，而且提出了一種實現四態存儲的方案及一種實現磁矩垂直面進動（OPP）的方案。實現OPP是提高納米自旋振蕩器輸出功率的一種可行方案。近年來，自旋軌道耦合效應對自旋輸運的影響正成為研究熱點，有望利用這種效應開發出新型的自旋電子器件。馬星橋課題組正在研究既可包含STT作用又可包含自旋軌道耦合作用的相場計算方法及軟件。與微磁學方法相比，相場方法不僅可以模擬磁性材料，而且可以加入多種外場（如電場和應力場）的作用和多種（如鐵磁、鐵電和鐵彈性）材料的耦合，使之成為可用于新的自旋電子學器件的模擬和輔助設計的實用工具。這是課題組最近的重點研究方向。

教書育人是教師的光榮使命

馬星橋在從事科研的同時，也擔任著教書育人的工作。他說：“我個人比較喜歡教書，越教越有感情，培養人才是一件很有意義的事情。”每當見到從前的學生，看著他們都有著出色的表現，馬星橋心里甚是欣慰。

在教師崗位上已工作30多個年頭的馬星橋，始終不忘如何為國家多培養一些人才。他認為，國家未來要看下一代人，人才的成長需靠學校的培養，教師是培養具有創新性人才的一個重要因素。“一個好的老師，本身應該具有探索和創新精神，這樣才能有效影響到學生。而想要做到這一點，教師參加科研工作是最好的途徑。”近些年來，北京科技大學物理系通過管理制度的改革，建立了縱向采取學術梯隊，橫向采取課程組的師資隊伍模式，打破了科研與教學相分離、理論教學與實驗教學相分離的局面。梯隊負責人負責青年教師的科研能力的培養，課程負責人負責提高青年教師的教育教學水平，形成了通過科研活動使教師的學術水平和綜合素質大大提高，教學與科研的結合使教學內容不斷充實、與日新月異的高新技術緊密結合的良好互動局面。

馬星橋在美國做學術訪問時曾留意到，學生對一些做出高水平科研工作的老師感到非常敬佩，這些老師在教學過程中潛移默化地把一些思考方法傳給了學生。“他們不但教知識，而且教思想、教方法。走在科技前沿的老師往往能較快地將學生引領到前沿的研究工作中去，反過來，青年人的活躍思想和求知欲，也會對教師保持活力產生良好的影響。”馬星橋總結道，“創新人才的培養，第一要打好學科基礎，第二個是使他們能夠比較早地進入到高水平的科研組，接觸國際前沿的工作”。

在美國與陳龍慶教授（前排左四）課題組成員合影

2013年，北京科技大學物理系與中國科學院半導體研究所合作，成立了旨在培養半導體領域高水平人才的“黃昆班”。馬星橋向記者介紹，黃昆先生是我國著名的固體物理學家，我國半導體物理學的奠基人，他的工作具有廣泛的世界影響。黃昆先生2001年獲得國家最高科學技術獎。半導體所是中國半導體方面科研水平最高的單位，半導體所與北科大合作辦學，旨在探索一條培養高水平人才的新途徑。半導體所派部分老師來校講學，畢業生中保送優秀學生到半導體所深造。目前，首屆黃昆班已經本科畢業，全班25名學生中有22人保送或報考了研究生，全部被中科院半導體所、高能所，北京大學、中國科學院大學、紫金山天文臺、北京科技大學錄取，上研率達到100%。另外3名希望就業的學生也如愿找到自己滿意的工作，全班就業率也達到100%。馬星橋希望今后黃昆班能越辦越好，帶動物理系半導體物理及其他方向一起發展。

近年來，北京科技大學物理系取得了一系列的好成績：獲得物理學一級學科博士點、國家工科物理教學基地、北京市實驗示范中心；《大學物理》和《大學物理實驗》兩門課程獲得北京市精品課程，3名教師獲得北京市教學名師獎；2012年，以物理系教師為主申請的“北京市弱磁檢測及應用工程中心”獲得批準……其中均有馬星橋付出的努力。馬星橋是北京市精品課程《大學物理》、教育部《凝聚態物理專題》雙語示范課的負責人，曾獲寶鋼教育獎-優秀教師獎，2010年獲得北京市教學名師獎，2011年獲政府特殊津貼，2012年成功組織了多尺度材料計算模擬國際研討會。

馬星橋告訴記者，雖然取得了一些成績，但是與國內領先的物理院系相比，還有相當多需要學習和提高的地方。他希望物理系堅持基礎研究和應用研究相結合的原則，做出自己的特色。除了繼續做強原有的學科方向外，在材料模擬計算方面的優勢，他希望建設好北京市弱磁檢測及應用工程中心，在半導體等方面有所發展。

馬星橋現在在科研和教學中絲毫未有松懈，他總覺得自己身上的擔子還很重。他將繼續在相場模擬計算及新磁電材料研究領域做一名奔跑者，帶領團隊奔向更好的未來。